本發(fā)明涉及道路工程，特別涉及一種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)是評(píng)估路面結(jié)構(gòu)剩余價(jià)值的重要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的快速計(jì)算對(duì)于提高路面管養(yǎng)水平具有重要意義。落錘式彎沉儀試驗(yàn)是路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)常用的方法，基于落錘式彎沉儀測(cè)量的路面彎沉，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)反演，再采用正演方法計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)是當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)估常用方法；為提高路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)效率，構(gòu)建以彎沉輸入、以結(jié)構(gòu)層應(yīng)變?yōu)檩敵龅纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是常用的技術(shù)方法；但當(dāng)前在構(gòu)建基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)估模型時(shí)，對(duì)于不同樣本的權(quán)重考慮相對(duì)較少，導(dǎo)致所訓(xùn)練的模型適用性存在問題。

2、由于基于路面落錘式彎沉儀試驗(yàn)工況條件復(fù)雜，如何選取合適的計(jì)算指標(biāo)、建立合理的樣本權(quán)重計(jì)算方法，需要工程技術(shù)人員在總結(jié)工程規(guī)律的基礎(chǔ)上確定，這是構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)性能自適應(yīng)分析模型的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3、例如，有公告號(hào)為cn107742018b的中國(guó)專利，涉及一種基于路面材料應(yīng)力和應(yīng)變依賴模型的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析增量方法，根據(jù)擬分析的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式和材料類型，確定各層厚度、泊松比和路面材料模量應(yīng)力和應(yīng)變依賴模型，采用路面材料模量應(yīng)力和應(yīng)變依賴模型表征瀝青路面結(jié)構(gòu)各層模量，結(jié)合計(jì)算荷載和層間結(jié)合條件建立計(jì)算分析體系，以增量方法為分析基礎(chǔ)，通過有限元軟件數(shù)值計(jì)算獲得路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部各點(diǎn)的模量矩陣，在此基礎(chǔ)上根據(jù)彈性層狀體系理論計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。該方法考慮了材料非線性問題對(duì)路面力學(xué)計(jì)算所帶來的影響，使瀝青路面結(jié)構(gòu)受力分析更趨合理和完善；但是該專利沒有考慮到樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中不同樣本與目標(biāo)工況條件的相似性，自適應(yīng)性不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析模型自適應(yīng)性不足的問題，本發(fā)明提出一種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析方法及系統(tǒng)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程中，考慮樣本條件與目標(biāo)路段工況條件的相似性，提高相似樣本在模型訓(xùn)練中的權(quán)重，進(jìn)而提升模型對(duì)當(dāng)前路況的適用性和模型預(yù)測(cè)精度。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析方法，包括下述步驟：

3、d1，獲取落錘式彎沉儀試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)層材料的相似性合并相鄰結(jié)構(gòu)層；

4、d2，根據(jù)不同配置參數(shù)組合建立不同數(shù)值仿真模型，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；

5、d3，根據(jù)不同數(shù)值仿真模型建立不同樣本，計(jì)算不同樣本的權(quán)重并歸一化處理，建立并輸入樣本訓(xùn)練結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型；

6、d4，應(yīng)用結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型，根據(jù)目標(biāo)路段的落錘式彎沉儀試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算目標(biāo)路段結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

7、本技術(shù)方案中，首先進(jìn)行瀝青路面落錘式彎沉儀試驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)，在落錘式彎沉儀試驗(yàn)中獲取的彎沉數(shù)據(jù)通常為7～9個(gè)數(shù)據(jù)，各個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)點(diǎn)距離荷載作用中心的距離在0～2m中分布。通過查閱路面設(shè)計(jì)資料或通過鉆芯取樣、探地雷達(dá)檢測(cè)等手段獲取路面結(jié)構(gòu)層幾何尺寸信息、結(jié)構(gòu)層材料信息，其包括：路面結(jié)構(gòu)幾何尺寸信息主要包括瀝青路面的面層厚度、基層厚度等信息。然后估算結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度信息分布范圍，并根據(jù)結(jié)構(gòu)層材料的相似性合并相鄰結(jié)構(gòu)層。

8、之后確定落錘式彎沉儀試驗(yàn)數(shù)值仿真模型的配置參數(shù)取值范圍，建立瀝青路面落錘式彎沉儀試驗(yàn)數(shù)值仿真模型，計(jì)算不同數(shù)值仿真模型參數(shù)組合下路面結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；然后形成數(shù)據(jù)庫(kù)樣本，計(jì)算權(quán)重并歸一化，再將樣本輸入到結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型中，訓(xùn)練模型至收斂。

9、最后將目標(biāo)路段的落錘式彎沉儀試驗(yàn)結(jié)果輸入到訓(xùn)練好的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型中，計(jì)算相應(yīng)試驗(yàn)中的路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)。

10、該方法考慮到樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中不同樣本與目標(biāo)工況條件的相似性，從而提高所訓(xùn)練的路面結(jié)構(gòu)性能分析模型的自適應(yīng)性，并提升模型預(yù)測(cè)精度。

11、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：步驟d1包括：

12、d11，獲取瀝青路面落錘式彎沉儀試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，包括彎沉數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)層材料信息；

13、d12，根據(jù)結(jié)構(gòu)層材料信息估算結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度信息分布范圍；

14、d13，合并相鄰結(jié)構(gòu)層后的等效結(jié)構(gòu)層層數(shù)為三層。

15、本技術(shù)方案中，瀝青路面落錘式彎沉儀試驗(yàn)中測(cè)量得到的數(shù)據(jù)包括彎沉數(shù)據(jù)、路面結(jié)構(gòu)組成信息、結(jié)構(gòu)幾何組成信息和結(jié)構(gòu)層材料信息。

16、根據(jù)落錘式彎沉儀試驗(yàn)所測(cè)量結(jié)構(gòu)層材料信息估算結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度信息分布范圍，落錘式彎沉儀試驗(yàn)數(shù)值仿真模型的配置參數(shù)取值范圍包括路面結(jié)構(gòu)層數(shù)、結(jié)構(gòu)層厚度分布范圍、結(jié)構(gòu)層模量參數(shù)分布范圍。

17、將材料組成相似的相鄰結(jié)構(gòu)層合并為同一結(jié)構(gòu)層，合并后的路面結(jié)構(gòu)層通?？蓜澐譃槿龑?，分別對(duì)應(yīng)于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的面層、基層和路基結(jié)構(gòu)層組合。其包括：瀝青路面結(jié)構(gòu)中面層通常為瀝青混合料材料，基層為水泥穩(wěn)定碎石基層或?yàn)r青穩(wěn)定碎石基層，根據(jù)結(jié)構(gòu)層材料的組成和設(shè)計(jì)參數(shù)可對(duì)結(jié)構(gòu)層模量等強(qiáng)度參數(shù)做一定的預(yù)估，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)層模量等強(qiáng)度參數(shù)的取值分布范圍；根據(jù)結(jié)構(gòu)層材料的相似性合并相鄰結(jié)構(gòu)層，如可以將相鄰的瀝青混合料結(jié)構(gòu)層合并為瀝青面層，將相鄰的水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層合并為水穩(wěn)基層。

18、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：步驟d2包括：

19、d21，確定落錘式彎沉儀試驗(yàn)數(shù)值仿真模型的配置參數(shù)取值范圍，配置參數(shù)包括結(jié)構(gòu)層厚度和結(jié)構(gòu)層模量參數(shù)；

20、d22，在配置參數(shù)取值范圍內(nèi)選取不同配置參數(shù)組合分別建立數(shù)值仿真模型，計(jì)算不同數(shù)值仿真模型的路面結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

21、本技術(shù)方案中，根據(jù)目標(biāo)路段路面結(jié)構(gòu)尺寸分布、落錘式彎沉儀試驗(yàn)的荷載分布、結(jié)構(gòu)層模量參數(shù)分布、結(jié)構(gòu)層數(shù)確定數(shù)值仿真模型配置參數(shù)的取值范圍，保證數(shù)值仿真模型配置參數(shù)的取值范圍覆蓋目標(biāo)路段對(duì)應(yīng)的參數(shù)分布范圍，數(shù)值仿真模型配置參數(shù)的取值范圍比待分析路段參數(shù)取值的范圍前后各超過20％。

22、數(shù)值仿真模型配置的取值范圍還可以根據(jù)常見路面結(jié)構(gòu)形式及行業(yè)技術(shù)規(guī)范確定，中面層厚度為7～20cm，基層厚度為30～45cm，面層動(dòng)態(tài)模量為2000～22000mpa，基層動(dòng)態(tài)模量為3000～23000mpa，路基模量為100～400mpa。

23、數(shù)值仿真模型配置參數(shù)組合選取的方式可以在參數(shù)分布范圍內(nèi)對(duì)參數(shù)均勻取值，將不同參數(shù)的取值進(jìn)行循環(huán)組合成某一工況的參數(shù)組合，并建立相應(yīng)的數(shù)值仿真模型，計(jì)算相應(yīng)工況下的路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。路面結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)提取位置通常為落錘式彎沉儀試驗(yàn)中荷載作用中心所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)。

24、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：步驟d3包括：

25、d31，將每一數(shù)值仿真模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)配置參數(shù)整合成一條樣本，將樣本按相同格式和順序存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中；

26、d32，根據(jù)目標(biāo)路段情況與數(shù)據(jù)庫(kù)中樣本的相似性計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)樣本的權(quán)重，并對(duì)樣本權(quán)重歸一化；

27、d33，建立結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型，將不同權(quán)重的樣本輸入到結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型中，訓(xùn)練結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型至收斂。

28、本技術(shù)方案中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同樣本與待分析路段的落錘式彎沉儀試驗(yàn)工況的相似性計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中不同樣本的權(quán)重，用于分析樣本相似性的指標(biāo)主要包括道路的結(jié)構(gòu)形式。

29、權(quán)重的計(jì)算方法為：

30、

31、式中，αm為第m個(gè)樣本的權(quán)重，為第m個(gè)樣本的第k個(gè)結(jié)構(gòu)幾何形式指標(biāo)與結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性權(quán)重，是第m個(gè)樣本的基于距離的相似性權(quán)重。

32、權(quán)重計(jì)算方法中的計(jì)算方法為：

33、

34、式中，第m個(gè)樣本的第k個(gè)結(jié)構(gòu)幾何形式指標(biāo)與落錘式彎沉儀試驗(yàn)仿真模型計(jì)算得到的第a個(gè)路面彎沉的相關(guān)性，maxa{}表示在所有的相關(guān)性指標(biāo)中選擇最大的指標(biāo)作為

35、權(quán)重計(jì)算方法中的計(jì)算方法為：

36、

37、式中，是第m個(gè)樣本的基于距離的相似性權(quán)重，dij為基于馬氏距離的樣本相似性度量，其計(jì)算方法如下式所示：

38、

39、式中，和分別為待分析路段的第k個(gè)幾何尺寸和數(shù)據(jù)庫(kù)中的第m個(gè)樣本記錄的第k個(gè)幾何尺寸。

40、在計(jì)算不同樣本權(quán)重的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中樣本權(quán)重均一化處理：

41、

42、式中，為第i個(gè)樣本的權(quán)重，為均一化的第i個(gè)樣本的權(quán)重，a為數(shù)據(jù)庫(kù)中樣本總的數(shù)量。

43、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

44、本技術(shù)方案中，結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型一般為多層。

45、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：步驟d32中，分析相似性的樣本中的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括路面結(jié)構(gòu)幾何尺寸，計(jì)算權(quán)重采用基于指標(biāo)數(shù)量做權(quán)重均值化的方法。

46、本技術(shù)方案中，由于路面結(jié)構(gòu)幾何尺寸具有多個(gè)指標(biāo)，本發(fā)明采用基于指標(biāo)數(shù)量做權(quán)重均值化的方法，避免指標(biāo)數(shù)量對(duì)權(quán)重取值的影響和其可能造成不同類指標(biāo)的權(quán)重失衡。

47、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：步驟d33包括以下步驟：

48、d331，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集；

49、d332，計(jì)算結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方誤差；

50、d333，選取驗(yàn)證集上預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值均方誤差最小的模型作為最終模型，并在測(cè)試集上驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)精度。

51、本技術(shù)方案中，訓(xùn)練所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型首先將數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，訓(xùn)練集占比70％～90％，驗(yàn)證集占比20％～5％，測(cè)試集占比10％～5％；訓(xùn)練過程中以模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方誤差作為模型評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并在計(jì)算中考慮樣本的權(quán)重，計(jì)算公式為：

52、

53、式中，yi為模型預(yù)測(cè)值，為實(shí)測(cè)值，n為單次模型預(yù)測(cè)輸入的樣本數(shù)量，wi為樣本權(quán)重。

54、再計(jì)算結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方誤差作為模型評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，在驗(yàn)證集上選取預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值均方誤差最小的模型作為最終模型，并在測(cè)試集上驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)精度。

55、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：步驟d4中，模型輸入包括路面的彎沉信息、路面面層厚度、基層厚度、落錘式彎沉儀作用荷載，模型輸出為路面結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括路面面層底部的彎拉應(yīng)變、基層底部的彎拉應(yīng)變、路基頂面的壓應(yīng)變。

56、本技術(shù)方案中，向模型輸入路面的彎沉信息、路面面層厚度、基層厚度、落錘式彎沉儀作用荷載信息即可得到路面結(jié)構(gòu)層包括路面面層底部的彎拉應(yīng)變、基層底部的彎拉應(yīng)變、路基頂面的壓應(yīng)變的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

57、本發(fā)明還采用以下技術(shù)方案：一種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能自適應(yīng)分析系統(tǒng)，使用上述的一種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析方法，其特征在于，包括：

58、信息獲取模塊，獲取落錘式彎沉儀試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)；

59、仿真計(jì)算模塊，建立數(shù)值仿真模型，輸出性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與配置參數(shù)組成樣本；

60、仿真樣本數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，存儲(chǔ)不同數(shù)值仿真模型的樣本；

61、模型訓(xùn)練模塊，根據(jù)不同數(shù)值仿真模型的樣本訓(xùn)練結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型；

62、指標(biāo)計(jì)算模塊，應(yīng)用結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型計(jì)算結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

63、本技術(shù)方案中，瀝青路面結(jié)構(gòu)性能自適應(yīng)分析系統(tǒng)使用上述的一種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析方法，信息獲取模塊獲取落錘式彎沉儀試驗(yàn)中的彎沉數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)層的信息，仿真計(jì)算模塊將不同工況條件和相對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的路面彎沉和結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)整合為一條樣本記錄，按照相同的格式和排列順序存放在仿真樣本數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中，再由模型訓(xùn)練模塊根據(jù)不同數(shù)值仿真模型的樣本訓(xùn)練結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型，最后由路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模塊將訓(xùn)練收斂的模型應(yīng)用于落錘式彎沉儀試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算出結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

64、本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為：模型訓(xùn)練模塊包括：

65、數(shù)據(jù)庫(kù)樣本權(quán)重計(jì)算模塊，分析目標(biāo)路段情況與數(shù)據(jù)庫(kù)中樣本的相似性，計(jì)算不同樣本權(quán)重；路面結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型訓(xùn)練模塊，將不同權(quán)重的樣本輸入到結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型中，訓(xùn)練結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型至收斂。

66、本技術(shù)方案中，數(shù)據(jù)庫(kù)樣本權(quán)重計(jì)算模塊分析目標(biāo)路段情況與數(shù)據(jù)庫(kù)中樣本的相似性計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中各類樣本的權(quán)重，之后由路面結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)計(jì)算模型訓(xùn)練模塊將不同權(quán)重的樣本輸入到待訓(xùn)練模型中訓(xùn)練直至模型收斂。

67、本發(fā)明的有益效果是：

68、1)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瀝青路面在落錘式彎沉儀試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的快速計(jì)算，并支撐對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的評(píng)估；

69、2)考慮了數(shù)據(jù)庫(kù)樣本與待分析路段的結(jié)構(gòu)相似性，設(shè)計(jì)了適用于路面結(jié)構(gòu)性能分析工況場(chǎng)景的樣本權(quán)重計(jì)算方法，提升了所訓(xùn)練模型對(duì)于特定樣本的關(guān)注度，提高了所訓(xùn)練模型的自適應(yīng)能力和預(yù)測(cè)精度。